Презентация Электрический ток в раз средах (1)

1. Электрический ток в различных средах

2. Главные вопросы

• В каких средах может протекать
электрический ток?
• Какими частицами создается?
• Где применяется (встречается)?

3. Электрический ток может протекать в пяти различных средах:

Металлах
Вакууме
Полупроводниках
Жидкостях
Газах

4.

Для создания электрического тока в среде
необходимо :
- наличие заряженных частиц в этой
среде;
- внешнее электрическое поле .
В различных средах эти условия
выполняются по - разному. Рассмотрим
некоторые из них.

5.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
В МЕТАЛЛАХ

6.

Основы электронной
теории проводимости
Пауль Друде Карл
Людвиг —
немецкий физик
В начале XX века была
создана классическая
электронная теория
проводимости металлов (П.
Друде, 1900 г., Х.Лоренц,
1904 г.), которая дала простое
и наглядное объяснение
большинства электрических и
тепловых свойств металлов.
Хендрик Антон Лоренцголландский физик

7.

8.

1)
2)
3)
4)
5)
6)
Движение электронов подчиняется законам классической
механики.
Электроны друг с другом не взаимодействуют.
Электроны взаимодействуют только с ионами
кристаллической решётки, взаимодействие это сводится
к соударению.
В промежутках между соударениями электроны
движутся свободно.
Электроны проводимости образуют «электронный газ»,
подобно идеальному газу. «Электронный газ»
подчиняется законам идеального газа.
При любом соударении электрон передаёт всю
накопленную энергию.

9. Электрический ток в металлах:

Электрический ток в металлах – это упорядоченное
движение электронов под действием электрического
поля. Опыты показывают, что при протекании тока по
металлическому проводнику не происходит переноса
вещества, следовательно, ионы металла не принимают
участия в переносе электрического заряда.

10.

• Вывод:
• Носители
электрического
заряда движутся по
инерции

11.

• Выводы:
1.
2.
Носителями заряда в металле
являются отрицательно заряженные
частицы.
q
e
Отношение
m
m
=> Электрический ток в металлах
обусловлен движением электронов

12. Опыты Толмена и Стюарта являются доказательством того, что металлы обладают электронной проводимостью

Катушка с большим числом витков тонкой
проволоки приводилась в быстрое вращение
вокруг своей оси. Концы катушки с помощью
гибких проводов были присоединены к
чувствительному баллистическому
гальванометру Г. Раскрученная катушка
резко тормозилась, и в цепи возникал
кратковременных ток, обусловленный
инерцией электронов.

13.

Металлический проводник состоит из:
1) положительно заряженных ионов, колеблющихся около
положения равновесия, и
2) 2) свободных электронов, способных перемещаться по
всему объему проводника.
В металле в отсутствие
электрического поля электроны
проводимости хаотически
движутся и сталкиваются, чаще
всего с ионами кристаллической
решетки. Совокупность этих
электронов можно приближенно
рассматривать как некий
электронный газ, подчиняющийся законам идеального газа.
Средняя скорость теплового движения электронов при
комнатной температуре составляет примерно 105 м/с.

14.

Зависимость сопротивления проводника R от температуры:
При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном
меняется удельное сопротивление.
Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:
где ро - удельное сопротивление
при 0 градусов,
t - температура,
α- температурный коэффициент сопротивления
( т.е. относительное изменение удельного
сопротивления проводника при нагревании
его на один градус)

15. Вывод: 1.Носителями заряда в металлах являются электроны;

2. Процесс образования носителей заряда –
обобществление валентных электронов;
3.Сила тока прямо пропорциональна напряжению и
обратно пропорциональна сопротивлению
проводника – выполняется закон Ома;
4. Техническое применение электрического тока в
металлах: обмотки двигателей, трансформаторов,
генераторов, проводка внутри зданий, сети
электропередачи, силовые кабели.

16. Сопротивление проводника

Сопротивление - это физическая величина, характеризующая степень
противодействия проводника направленному движению зарядов.
Удельное сопротивление – это сопротивление цилиндрического
проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения.
Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в
скачкообразном падении сопротивления до нуля при некоторой
критической температуре ( Т кр)
R
S
t = 0 ( 1 + ∆Т)
0- удельное
– удельное
сопротивление при t =200С;
-
коэффициент сопротивления
= 1/ 273 0К-1
сопротивление,
длина проводника,
S - площадь
поперечного сечения
R Ом
сверхпроводник
- температурный
∆Т – изменение температуры
Ом мм 2
м
металл
0
Ткр
293
Т,К

17. Сверхпроводимость металлов и сплавов

У многих металлов и сплавов при
температурах, близких с T=0 К,
наблюдается резкое уменьшение
удельного сопротивления – это
явление называется
сверхпроводимостью металлов.
P
0
Т
Оно было обнаружено голландским физиком
Х.Камерлингом – Онессом в 1911 году у ртути
( Ткр=4,2оК).

18. Общие сведения

• Свойством сверхпроводимости обладают около
половины металлов и несколько сотен сплавов.
• Сверхпроводящие свойства зависят от типа
кристаллической структуры. Изменение её может
перевести вещество из обычного в сверхпроводящее
состояние.
• Критические температуры изотопов элементов,
переходящих в сверхпроводящее состояние, связаны с
массами изотопов соотношением:
Тэ(Мэ)1/2= const (изотопический эффект)
Сильное магнитное поле разрушает эффект
сверхпроводимости. Следовательно, при помещении в
магнитное поле свойство сверхпроводимости может
исчезнуть.

19. Физическая природа сверхпроводимости

• Явление сверхпроводимости можно понять и
обосновать только с помощью квантовых
представлений
Они были представлены в 1957 году американскими
учеными Дж.Бардиным, Л.Купером, Дж.Шриффером
и советским академиком Н.Н. Боголюбовым.
В 1986 году была открыта высокотемпературная
сверхпроводимость соединений лантана, бария и др.
элементов (Т= 1000К - это температура кипения
жидкого азота).

20.

Однако нулевое сопротивление — не
единственная отличительная черта
сверхпроводимости. Ещё из теории
Друде известно, что проводимость
металлов увеличивается с понижением
температуры, то есть электрическое
сопротивление стремится к нулю.

21. Гроб Мухаммеда — опыт, демонстрирующий этот эффект в сверхпроводниках. По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в

Гроб Мухаммеда — опыт,
демонстрирующий этот эффект
в сверхпроводниках.
По преданию, гроб с телом пророка
Магомета висел в пространстве без всякой
поддержки, поэтому этот опыт называют
экспериментом с «магометовым гробом».
Отталкиваясь от неподвижного
сверхпроводника, магнит всплывает
сам и продолжает парить до тех пор,
пока внешние условия не выведут
сверхпроводник из сверхпроводящей
фазы. В результате этого эффекта
магнит, приближающийся к
сверхпроводнику, «увидит» магнит
обратной полярности точно такого же
размера, что и вызывает левитацию.

22. Применение сверхпроводимости

1.Сооружаются мощные электромагниты со
сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитное
поле без затрат электроэнергии на длительном интервале
времени, т.к. выделения теплоты не происходит.
2.Сверхпроводящие магниты используются в ускорителях элементарных
частиц, магнитогидродинамических игенераторах, преобразующих
энергию струи раскаленного ионизированного газа, движущегося в
магнитном поле, в электрическую энергию.
3.Высокотемпературная сверхпроводимость в недалеком
будущем приведет к технической революции в
радиоэлектронике, радиотехнике.
4. Если удастся создать сверхпроводники при комнатной
температуре, то генераторы и электродвигатели станут
исключительно компактны и передавать электроэнергию будет
возможно на большие расстояния без потерь.

23. Электрический ток в металлах

К. Рикке - 1901
Cu
1. Взвешивал
Al
2. Ток - год
Cu
q = 3,5мин. Кл.
3. Взвешивал
результат -
масса не
изменялась
I
qnS
I,A
0
1913 - Л.И.Мандельштам и
Н.Д.Папалекси
идея обнаружить ток при внезапной остановке
быстро движущегося проводника
опыт - подтвердил существование
инерционного движения носителей заряда
Результаты
опытов -
носителями
тока
могли быть
только
электроны
1916 - Т.Стюарт Р.Толмен
(l=500м; =300м/с;) результат 1. отрицательно заряженные
частицы
2.масса 10-30кг
Скорость упорядоченного
движения составляет
десятые доли миллиметра в
секунду!
Электрическое поле распространяется
со скоростью 300.000км/с
1911 - Камерлинг - Оненнс сверхпроводимость
U
I=
R
R
R= l
S
U,B
Проводник ограничивает силу тока в цепи
Cu
Hq
0
П. Друде природа электрического
сопротивления
R = Rо (1+ t)
Т
ЛЭП
Генераторы,
кабели, ЭВМ,
резонаторы

24. Электрический ток в вакууме

Вакуум - сильно разреженный газ, в котором
средняя длина свободного пробега частицы
больше размера сосуда, то есть молекула
пролетает от одной стенки сосуда до другой без
соударения с другими молекулами. В результате в
вакууме нет свободных носителей заряда, и
электрический ток не возникает. Для создания
носителей заряда в вакууме используют явление
термоэлектронной эмиссии.

25. Электрический ток в вакууме

Вакуум - изолятор, Но! Термоэлектронная эмиссия.
Явление испускание свободных электронов с поверхности нагретых тел наз. термоэлектронной эмиссией.
Т.Эдисон (амер).- 1879г. Если катод нагреть => Термоэлектронная эмиссия!
анод
I,A
ток насыщения
Iн
Закон Ома невыполним
q
eN
IА = t = t
катод
U,B
T– const
IА зависит от
1) U анода
2) А выхода е
(рода материала катода)
3) размеров и расстояния
между электродами
Электрический ток в вакууме - это упорядоченное движение электронов с катода к аноду.
Электронные пучки - поток быстрых электронов ( свойства):
1. Свечение
2. Нагрев
m 2
Использование тока в вакууме:
= Eed = Ue
3. Рентгеновские лучи
электронных лампах,
2
(при торможении)
электровакуумных печах,
Электрическим
4. Откланяются
полем
рентгеновских трубках,
Магнитным
электронно-лучевых трубках,
применяемых в телевизорах,
в осциллографах,
( ()
в дисплеях ЭВМ.
( () ( ()
Катод сетка
аноды
Х
Y

26. Электрический ток в полупроводниках

Германий
Кремний
Селен
0
Т
Ge
Ge
Ge
Ge
Нагреть
осветить
сильным
Эл. М. полем
О.В.Лосев - 1922
кристадин - 1923
А.Ф.Иоффе - 1931
патент США -1946
Проводимость чистых полупроводников электронно-дырочная
Ge
У проводников на 1023 - столько же +- q; у полупроводников - 1013 т.е.число свободных q - 10 -10
Но! Проводимость можно увеличить
Донорная примесь - это примесь,
отдающая свой лишний электрон, не
участвующий в создании ковалентной
связи.(элементы 5 группы таблицы Менделеева)
Ge
Ge
Ge
«лишний»
Ge
Ge
PASITIV «приёмщики»
In
Ge
полупроводники обладают электронной
проводимостью и наз. полупроводниками
n – типа.
Акцепторная примесь - это примесь, у
которой не достаёт электронов до
полной ковалентной связи с соседними
атомами.(элементы 3 группы таблицы Менделеева).
NEGATIV«отдающие»
As
Если в 1 тонну Ge внести Sb 1г - проводимость в 200 раз
Ge
«дырка»
Ge
Полупроводники обладают дырочной
проводимостью и наз. полупроводниками
p – типа.
Электронике - полупроводниковые приборы

27. Контакт двух полупроводников

p
p
n
n
а) обратный р-п - переход
p
n
I(A)
U(B)
Запирающий
слой
б) прямой р - п - переход
I(A)
p
n
R
приконтактной области
большой ток - прямой
проводимость хорошая
мA
р - п переход
проводит ток
U(B) в одном направлении
это основная
работа всех
полупроводниковых
приборов
Полупроводниковые приборы широко
применяются в современной технике
в элементах электроники - диоды,
транзисторы,
термисторы,
фоторезисторы,
фотопреобразователи и т.д.
Вольт -амперная
характеристика
R приконтактной области
обратный ток не значительный
не зависит от приложенного напряжения
I(мА)
V
U3
U(B)
0
Транзистор - сердце всех
электрических цепей.
Транзистор - это контакт
двух р-n или n-р
U1 U2
U3– 0 – U1 закон Ома
не выполним
U1 – U2 - прямая линия
р n р
n
p
n
Используется как включатель , усилитель и генерирующее устройство.

28. Электрический ток в жидкостях. Законы электролиза

Из жидкостей электрический ток проводят только электролиты-растворы солей, кислот и щелочей.
А
А
молекула
К
+
Распад молекул электролитов на ионы называется
электрической диссоциацией
-
Cu SO4
ионы
Cu+2
SO - 2
Электрическим током в жидкости называется
направленное движение положительных и
к катоду, а отрицательных - к аноду.
В жидкостях ионная проводимость.
Выделение на катоде вещества, входящего в состав электролита, называется электролизом
.Первый закон Фарадея для электролиза: масса вещества (m) выделившегося на катоде
m = kI t = kq
прямо пропорциональна заряду (q), прошедшему
через электролит.
Где k- электрохимический эквивалент вещества, численно равен массе выделившегося вещества, при
переносе заряда в 1Кулон
.Второй закон Фарадея для электролиза: Электрохимические эквиваленты вещества прямо
k= 1 М
F n
пропорциональны их химическим эквивалентам.
.Объединённый закон Фарадея:
F=eN=96500Кл/моль
1
М
m=
It
постоянная
F n
Фарадея
Применение электролиза: получение алюминия и бокситов; очистка металлов от примесей;
получение водорода. Элетрометаллургия. Гальванопластика - воспроизведение форм
предмета. Гальваностегия покрытие металлических изделий не окисляющимися металлами
(никелирование, хромирование).

29. Электрический ток в газах

В обычных условиях газы состоят из нейтральным
атомов и молекул и является диэлектриком
Распад атомов на положительные ионы и электроны - ионизацией
А
Электрическим током в газах называется направленное движение
положительных ионов к катоду, отрицательных ионов и электронов к
аноду.
В газах электронно - ионная проводимость.
V
--
+
Протекание тока через газ наз. газовым разрядом.
Газовый разряд,протекающий под действием ионизатора,
наз. Несамостоятельным
Самостоятельный - без ионизатора
I,A
0
U,B
m 2
2
= eEl
Условие ионизации электронным ударом
l - длина свободного пробега
Типы самостоятельных разрядов (в зависимости от E;U;P -- формы и материалов электродов)
1. Тлеющий разряд. (небольшая сила тока I = 10 -2А и высокое напряжение десятки сотни вольт)
2. Дуговой разряд. (большой ток до несколько тысяч ампер и малое напряжение между электродами 10 -15В
Впервые открыта профессором физики В.В. Петровым 1802г;
Впервые дуга была применена русским инженером П.Н. Яблочковым для освещения - 1876г;
Дуга широко используется для сварки и резания металлов, который разработан русскими
Н.И.Бенардсоном - 1885г; И Н.Г. Славяновым - 1890г; К.К. Хренов - разработал методы
сварки под водой.
3. Искровой разряд. (при атмосферном давлении и большой напряженности поля I = 500000А; U =10 8 -- 10 9В)
4. Коронный разряд.( при атмосферном давлении и высокой напряжённостью 3x106В/м)
Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотность
положительных и отрицательных зарядов практически совпадают.

30.

_
+
рекомбинируют
ионизируют
+
+
+
+
n
индий p
е =
m
анод
mА
Е
V
катод
lv0
Rq
е = 1,8*1011Кл/кг
m
S
q
-е
I= t = enS